基于北斗通信的水環境監測系統設計

楊澤明，劉紅旺

（天津水科機電有限公司，天津 301900）

水資源對于人類的生產生活有舉足輕重的地位，人類日常生活用水、農業灌溉用水及生產用水等都離不開水資源，展開水環境的檢測對水資源的科學配置、合理調度、預警評價有著重大的意義[1]。然而，一些水環境往往地處偏遠地區，傳統的水資源環境的檢測多采用人工抽檢的方式，即人工采集水資源樣本后在實驗室進行檢測，此方式成本高，費時費力，且不能做到對水庫環境的實時監測，已不能滿足目前信息化、智能化的要求。隨著人們生活水平的提高，對水質的要求也越來越高。

針對以上問題，同時支持國家智能水網的推廣和建設，解決偏遠地區、無人區水環境檢監測和監測數據的實時傳輸問題和供電問題，開發一套應用于水環境的基于北斗通信的水環境監測系統，該裝置采集所處水資源的環境信息（氣象、水文、水質等），可將水環境的各類信息上傳到對應的數據后臺。

1 系統總體概述

該系統主要有3個部分，分別是：水環境監測傳感器部分、數據傳輸及后臺部分、電源儲能部分。系統結構見圖1所示。

圖1 系統結構圖

（1）水環境監測傳感器部分。運用環境傳感器，系統可將當地的氣象（溫度、風力、風速、風向、蒸發量、降水量、太陽輻射強度）、水文（水位、流速，流量）、水質（總磷、總氮、常規5項，葉綠素、藻類）共19項數據按要求實現自動監測、存儲和上傳。環境監測傳感器系統可以收集裝置所處水環境的環境變化以及水資源指標情況。

（2）數據傳輸及后臺部分。負責將傳感器收到的環境信息，進行接收、處理并按照MODBUS-RTU標準協議將采集到的數據通過北斗傳輸給上位數據平臺，是整個系統的控制核心。

（3）電源儲能部分。本水環境監測裝置必須按要求在全天候條件下，長期不間斷地工作，所有的設計都應考慮到高可靠性工作的要求。除了設備本身等因素外，可靠的電源是其正常工作的必要條件[2]。

用太陽能電池板浮充蓄電池的供電方式能很好地應用于此采集終端，并根據當時的太陽能輻射數據和耗電，設計計算應配置的蓄電池容量和太陽能電池功率。設計結果應加上較大的安全系數，才能充分保證包括最長可能連陰雨天的長期供電。大量采用單晶硅太陽能電池板，工作穩定可靠。

2 北斗通信

（1）“北斗衛星”系統是我國自行研制、具有完全自主知識產權的區域性衛星導航系統。該系統主要由空間衛星、地面中心站和用戶終端3部分組成，具有雙向通信、快速定位和精密授時三大功能。覆蓋范圍包括了中國全境及亞洲大部分地區，具體為5°～55°N、70°～145°E。

（2）北斗衛星通信系統具有短報文收發功能，無需人值守的特點。用戶通過短報文可以實現無人值守的水文觀測站點的數據傳輸。

（3）北斗衛星具有高精度、穩定、抗干擾的特性，能有效保證各水文氣象站點數據傳輸的穩定性。

北斗短報文通信模塊如圖2所示。

圖2 北斗短報文通信模塊（又稱：北斗數傳蘑菇頭）

北斗短報文通信是“北斗衛星導航系統”的一大特色，即可為用戶機與用戶機、用戶機與地面中心站之間提供每次最多120個漢字或1 680 bit的短報文通信服務[3]。每個用戶機都有唯一的一個ID 號，并采用1戶1密的加密方式，通信均需經過地面中心站轉發。其流程是：

（1）短報文發送方首先將包含接收方ID 號和通信內容的通信申請信號加密后通過衛星轉發入站；

（2）地面中心站接收到通信申請信號后，經脫密和再加密后加入持續廣播的出站廣播電文中，經衛星廣播給用戶；

（3）接收方用戶機接收出站信號，解調解密出站電文，完成一次通信。與定位功能相似，短報文通信的傳輸時延約0.5 s，通信的最高頻度也是1 s/次。一般普通民用北斗數據模塊通信的頻率為1 min/次。

3 系統設計

3.1 硬件系統（下位采集裝置）設計

各類環境傳感器（水文、氣象、地質等傳感器）受單片機指令控制，采集相應的數據上傳至單片機，本系統硬件選用的核心控制器為STM32F103ZET6單片機，內核為ARM 32位的Cortex-M3，最高72 MHz工作頻率，在存儲器的零等待周期訪問時可達 1.25 DMips/MHZ（DhrystONe2.1），擁有多達 9 個通信接口，2個I2C接口(支持SMBus/PMBus)，3個USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調制解調控制），2個 SPI接口 (18 Mb/s），CAN 接口（2.0B主動），USB 2.0全速接口[4]。硬件系統連接圖如圖3所示。

圖3 硬件系統連接圖

各類傳感器通過RS485接口與核心控制器串口1（USART1）進行連接，基于Modbus-RTU協議進行通信[5]。在一個掃描周期，控制器逐一完成對傳感器的數值獲取以及傳感器工作狀態核查。核心控制器串口2（USART2）通過RS485接口與北斗短報文通信模塊相連，將傳感器采集到的數據經北斗模塊以北斗短報文的方式上傳至上位軟件，上位軟件對采集到的數據進行匯總和處理。

3.2 多電源供電部分設計

下位采集裝置要求有可靠的供電系統，不能斷電，在全天候條件保證終端設備的用電。由于地形條件限制，用交流供電會有困難。而且目前野外的交流供電仍不穩定可靠，電壓變化大，停電較多，如作為電源，還需考慮交流電源的抗干擾、防雷問題。因此，終端基本交流電源作為備選項（留有接入口）。采用太陽能電池板浮充的蓄電池供電系統，終端的設備少，又都是低功耗的，用電量很小，很適合用直流電源這樣的供電方式[6]。

本系統采取蓄電池組供電、太陽能電池板浮充方式，這是應用最普遍的工作方式，由可充電電池組、太陽能電池板、充電控制器組成，圖4為太陽能充電供電示意圖。以太陽能電池板作為充電電源，不受人為因素和外界干擾，遭受雷擊的可能性很小，沒有運行成本，基本不需要維護，能夠長期自動維持測站的供電。絕大部分水文數據采集終端的供電采用這種方式，應用效果良好。

圖4 太陽能充電供電示意圖

圖5 多電源供電部分設計圖

太陽能電池板浮充蓄電池的供電方式應用于此采集終端，根據當時的太陽能輻射數據和耗電，設計計算應配置的蓄電池容量和太陽能電池板功率[7]。設計結果應加上較大的安全系數，以便充分保證包括最長可能連陰雨天的長期供電。

3.3 通信模塊設計

實時通信模塊使用的是北斗衛星導航系統。采用北斗衛星系統，再結合設計的上位軟件、數據傳輸和報文通信協議等技術[8]，能保證數據安全可靠和有效實時地傳輸。浮標平臺系統采用的是嵌入式北斗終端機，具有體積小和功耗低等優點，非常適合應用于環境監測系統。

遠程上位機與水環境監測裝置的通信，采用上位機用北斗通信終端與檢測裝置點對點連接，實現對監測裝置的遙測遙控;其中通信過程中發送和接收數據的流程見圖6和圖7所示。

圖6 發送流程圖

圖7 接收流程圖

3.4 軟件系統（上位）設計

上位軟件的功能主要包括: 發送指令、接收數據、審核數據、存儲數據、顯示實時數據、查詢歷史數據、管理系統、監控系統等，見圖8所示。

圖8 上位軟件主要功能

本項目所設計的軟件結構能夠為管理員提供環境信息實時監測與預警、歷史數據查詢等主要功能。利用VB編程軟件進行上位軟件編程，MySQL作為數據庫，PHP作為服務器腳本解釋器搭建后臺數據庫。在歷史數據查詢功能中，管理員不僅可以查詢環境的歷史數據，還可以查詢環境參數的同比和環比變化，以使得測量結果可以完整反映變化趨勢，幫助用戶對水位情況進行分析[9]。

軟件系統最重要的2個功能是數據通信和數據存儲。數據通信主要完成水環境監測裝置發送指令和讀取回傳數據。數據存儲主要完成將回傳的水環境數據存入本地數據庫。所以，軟件系統具有通信和數據庫2個接口[10]。除了上述2個主要功能，軟件系統設計還具有數據轉換及管理和監控系統等功能。數據轉換是采用相應的標準對采集的原始數據進行換算，從而獲取所需數據結果。系統管理和監控是集中管控和配置整套系統內的所有檢測裝置，以及對系統運行狀態進行監控。本軟件留有4G通信接口，可進一步進行開發[11]。軟件總體結構圖如圖9所示，軟件系統主界面如圖10所示。

圖9 軟件總體結構圖

圖10 基于北斗通訊的水環境監測系統

4 測試

4.1 雨量數據采集測試

降雨量采集測試采用翻斗式雨量筒[12]。降雨量筒的上蓋打開，可看見內部翻斗和與之相連的壓力傳感器，將雨量筒與上位機連接，輕觸翻斗雨量平衡裝置使之傾斜來模擬下雨采集雨量，同時用上位機軟件對雨量筒進行雨量問詢，可以看到上位機軟件中有雨量顯示，證明此系統可實現預期功能[13]。

圖11 翻斗式雨量筒

圖12 雨量筒內

圖13 軟件采集雨量數據

4.2 系統聯調測試

按照系統實際使用方式，將整個系統各個部分連接起來。硬件采集系統部分除了沒有將太陽能電池板放入標體外，其他均按照整個系統實際使用方式連接，北斗通信蘑菇頭伸出實驗室窗外接收衛星信號。水環境監測裝置放入湖中。本次試驗連續運行了30 d，系統設置每3 min自動采集所有傳感器數據一次，并通過北斗通信終端傳輸進行入庫，最后通過檢驗數據庫入庫的采集數據得到的結果如下：30 d入庫數據中，共有5 000多條記錄，根據入庫數據的采集時間，只發現丟失了3條記錄，同時觀察入庫的采集數據，發現沒有奇異的數據點。采集裝置和北斗通信終端打撈后檢測無故障。

5 結語

文章研究的基于北斗通信的水環境監測系統，為水環境數據傳輸提供了一種科學、有效的傳輸方案，同時可以很好地解決偏遠地區信號覆蓋少、人工采集數據不方便等問題。監測站可實時獲取監測裝置傳回的監測數據，對數據進行處理后提供給數據庫和有關應用系統的接口，為水環境觀測和相關技術裝備的研制提供了有效的科學數據和有力支持。同時伴隨著北斗衛星通信技術的快速發展，它在水文氣象觀測、海域環境監測中的應用有更加廣闊的發展前景。